3D ultralyd imaging (3DUS) gjør det mulig for rask og økonomisk morphometry av muskel vev. Vi presenterer en protokoll for å måle muskel volum og fascicle lengde med 3DUS.
Utviklingsmessige målet med 3D ultralyd imaging (3DUS) er ingeniør en modalitet å utføre 3D morfologiske ultralyd analyse av menneskelig muskler. 3DUS bilder er konstruert fra kalibrert Frihånd 2D B-ultralyd bilder, som er plassert i en voxel array. Ultralyd (USA) avbildning kan kvantifisering av muskel størrelse, fascicle lengde og vinkel på pennation. Disse morfologiske variablene er viktig determinanter av muskel styrke og lang rekke kraft anstrengelse. Presentert protokollen beskriver en tilnærming for å finne volum og fascicle lengde m. vastus lateralis og m. gastrocnemius medialis. 3DUS forenkler standardisering bruker 3D omtale. Denne tilnærmingen gir en rask og kostnadseffektiv tilnærming for kvantifisering 3D morfologi i skjelettmuskulatur. I helse og sport er informasjon om morphometry av muskler svært verdifull i diagnostikk og/eller oppfølging evalueringer etter behandling eller opplæring.
I helse og sport er informasjon om morfologi av muskler svært verdifull i diagnostikk og/eller oppfølging evalueringer etter behandling eller trening1. Ultralyd (USA) avbildning er et verktøy som vanligvis brukes for visualisering av bløtvev strukturer i muskel sykdommer2, kritiske sykdommer3,4, hjerte-og karsykdommer5, nevrologiske lidelser6, 7,8, og effekter av fysisk trening6,9,10. Amerikanske bildebehandling kan kvantifisering av muskel størrelse, fascicle lengde og vinkel på pennation. Disse morfologiske variablene er viktig determinanter av muskel styrke og lang rekke tvinge anstrengelse,11,,12,,13,,14,,15.
Foreløpig USA tenkelig mål utføres det meste i 2D-bilder, med sensor å velge en antagelig egnet retning og plassering av ultralyd probe. Slike 2D metoder begrense morfologiske målinger ett bilde plan, mens parameteren rundt ikke kan finnes i dette flyet. Morfologisk analyse krever en 3D tilnærming, gir ut-av-plane mål med 3D referansepunkt. Slike en 3D morfologiske representasjon av bløtvev er kjent av magnetisk resonans Imaging (MRI),16,,17,,18,,19,,20. Men er Mr dyrt og ikke alltid tilgjengelig. Visualisering av muskel fiber krever også spesiell MRI sekvenser, som spredning tensoren imaging (DTI)21. En kostnadseffektiv alternativ til Mr er 3D ultralyd (3DUS) imaging. 3DUS tilnærmingen gir flere fordeler sammenlignet med Mr teknikker, f.eks, det medfører mindre plassbegrensninger for posisjonering emnet under eksamen. 3DUS imaging er en teknikk sekvensielt fange 2D (B-modus USA) bilder og plassere dem i en volum element (voxel) matrise22,23,24. Prosessen med 3DUS bildet gjenoppbygging består av fem trinn: (1) ta en rekke Frihånd 2D amerikanske bilder; (2) spore plasseringen av amerikanske sonden, med en Motion Capture (MoCap) system; (3) synkronisering MoCap posisjon og amerikanske bilder; (4) beregning og dreie av ultralyd bildene i voxel matrisen hjelp av et kalibrert referanse. og (5) å plassere bildene i tabelldataene voxel.
3DUS tilnærming har vært anvendt for vurdering av morfologi Skjelettmuskel15,25,26,27,28,29. Tidligere tilnærminger7,15,25,30 har imidlertid vist tungvint, tidkrevende og teknisk begrenset, som bare små segmenter av store musklene kan rekonstrueres.
Forbedre 3DUS tilnærming, en ny 3DUS-protokoll er utviklet som lar rekonstruksjon av komplett musklene i en kort periode. Denne protokollen artikkelen beskriver bruken av 3DUS imaging for morphometry av m. vastus lateralis (VL) og m. gastrocnemius medialis (GM).
En teknikk som gyldige og pålitelige 3DUS presenteres som tillater rask analyse av morphometric variabler i skjelettmuskulatur. Forskjellige 3DUS tilnærminger for bløtvev bildebehandling har vært tilgjengelig for omtrent et tiår42,43, men 3DUS tilnærminger ikke er fortsatt brukt ofte. Mr er en gull standard for estimering av i vivo muskel volumer (f.eks., refererer16,17,18,19,20). Mr gyldighet er testet og bekreftet i studier som sammenligner fantomer eller cadaveric organer kjent volum til MRI-basert kvantum estimater44,45. Men Mr tilgjengelighet for forskning er begrenset og skanner er tidkrevende og kostbare. I tillegg eksperimentelle gjenstand stillinger er begrenset av bar gripe MRI skannere. Typisk MR bilder generere nok kontrast for å utføre målinger av variabler av muskel geometri (fascicle lengder og vinkler). Men kan 3D muskel geometri vurderes også bruke MRI ved hjelp av flere teknikker, f.eks, DTI teknikk21. Likhet med Mr, USA imaging gir tilstrekkelig skille på grensesnitt mellom ulike typer vev (dvs. synlig i oss bilder), gir en gyldig modalitet for bløtvev volum vurdering1,30 ,44,46,47,48,49. I motsetning til Mr har 3DUS bilder nok kontrast til å utføre analyse på både volumet og muskel geometri fra samme målingen.
I tillegg kan teknikken presentert kombinere bilder av flere feier i en matrise, for studiet av større muskler. Denne nye 3DUS metoden gir en potensiell verktøy for klinisk vurdering av muskel morfologi. Denne metoden kan brukes også for imaging bløtvev strukturer annet enn muskelen (f.eks, sener, indre organer, arterier).
Modifikasjoner å forbedre Offline behandlingstid:
Endringer av 3DUS tilnærming var hovedsakelig rettet mot å forbedre behandlingstid og måle større muskler. Frakoblet behandlingstiden for et 3DUS bilde avhenger av voxel matrise innstillinger, prøving hyppigheten, størrelsen på avkastning, varighet og hastighet på feie, antall feier og brukte arbeidsstasjonen. Tidligere gangen rekonstruksjon av ≈ 2t var nødvendig for å rekonstruere eneste feie gir 750 amerikanske bilder (30 s på 25 Hz)15,25,30. Med metoden finnes 3DUS tar den samme feie bare 50 s rekonstruksjon tid (bedre de ‘offline’ tid av 99%). Denne forbedringen kan forklares med forbedret fylling algoritmen som utnytter stor vektor operasjoner for å fylle den voxels ramme-for-bilde, i stedet for piksler per piksel og økt random access memory (RAM) av arbeidsstasjoner å bygge større voxel matriser. Med nye 3DUS tilnærming tar en typisk rekonstruksjon som representerer en kurve lengde 30 cm med en hastighet på 1 cm/s, målet voxel størrelse 0,2 x 0,2 x 0.2 mm3 og en samplingsfrekvens på 25 Hz, følgende tid å rekonstruere :
a. ca 10 s å identifisere synkroniseringspulsen og velge relevante amerikanske bilder.
b. ca 120 s å bestemme kalibrering transformasjon matrix (PrTIm).
c. ca 10 s for bin fyller scenen.
d. ca 30 s for utføring punktene fylle igjen gap.
Totalt tar 170 s. notat, trinn b trenger kun utføres én gang, forutsatt en rigid forbindelse på MoCap markørene på sonde, forlater 50 s for gjenoppbyggingen av en enkelt sveip. Kombinerer to enkelt feie rekonstruert voxel matriser tar ca 10 s.
Begrensninger og avgjørende skritt:
Det er flere 3DUS tenkelig aspekter som bør tas i betraktning:
i. amerikanske bildekvalitet: høyere romlig oppløsning på 2D amerikanske bilder gir flere piksler plasseres i voxel matrisen. Dette vil tillate voxel dimensjonene redusere, fører til høyere voxel tetthet. Flere tilgjengelige ultralyd maskiner bruke romlige compounding for å redusere den støyende granulerte teksturen, tillater for bedre gjenstand uten forskjellsbehandling av grensesnittene i vev. Et annet alternativ å redusere speckle er kanten ekstrautstyr. Det bør imidlertid bemerkes at denne tilnærmingen ikke er ønskelig, siden det deformerer bildet i et forsøk på å lage forskjellige grensesnitt, og dermed forvrenge den sanne anatomisk posisjonen av grensesnittene.
II. MoCap nøyaktighet: piksler kan bare bli nøyaktig plassert i en voxel, hvis stillingsføleren nøyaktig kvantifiserer koordinatene av sonden. Med en økning i bildeoppløsning blir MoCap nøyaktighet viktigere. De presenterte 3DUS oppsett fungerer best med en voxel dimensjon av 0,2 x 0,2 x 0.2 mm3, med en MoCap system med en nøyaktighet på 0,1 mm, gir god nøyaktighet for å rekonstruere 3DUS voxel matrisen.
III. prøve frekvens: laveste timelige oppløsningen av enten den amerikanske bilder eller MoCap datastrømmen bestemmer samplingfrekvens. Dette påvirker feie tid eller voxel matrise innstillingene. For eksempel kan doble samplingfrekvens fra 25 til 50 Hz en fei utføres på halve tiden. Eventuelt gir ikke endre feie hastigheten, flere bilder for å fylle voxel array, forlater færre hull skal fylles og dermed potensielt øke voxel matrise oppløsningen. Øke voxel matrise oppløsningen, uten å øke samplingsfrekvens, krever imidlertid en tregere skanning, noe som vil øke potensialet i bevegelse gjenstander.
IV. Image gjenoppbyggingen tid: rask rekonstruksjoner krever en kraftig arbeidsstasjon med nok tilgjengelig RAM. I tillegg varierer rekonstruksjon tid i stor grad basert på voxel matrise volumet og kompleksiteten av fylle igjen gap.
v. eksperimentelle protokollen: standardisering av eksperimentelle-protokollen, som eksemplifisert studien for VL og GM, er avgjørende for sammenligning av morfologiske målinger (f.eksfascicle lengde fascicle vinkel, magemusklene lengde, senen lengde, aponeurosis lengde) mellom fag og overvåking i fag i longitudinelle studier. Merk imidlertid at morfologi vurdert på resten kan endre under muskel aktivering. For eksempel for VL eksperimentet, kan kne extensor morfologi under maksimal sammentrekning vise en høy pennation vinkel og kortere fascicles i 60° kneet strekking, med morfologi resten50. I noen tilfeller (f.eks., spastisitet), Elektromyografi (EMG) kan brukes til å bekrefte hvile muskel aktivitetsnivå under eksamen.
Vi. undersøke press og vev deformasjon: hvis rikelig ultralyd gel brukes på Avkastningen, press for å forbli i full kontakt mellom sonde og huden er begrenset. Som veiledning anbefaler vi at skanning en avkastning bør føles som svever over huden, og trykket bør bare brukes til å holde kontakt med gel og dermed huden. Liten vev deformasjon kan imidlertid være uunngåelig, selv med en generøs mengde ultralyd gel. Sonden størrelse og en buet avkastning påvirker den nødvendige mengden av trykket eller gel brukes. Større sonde og en mer buet avkastning krever mer press og/eller mer gel, enn mindre sonder med en lignende buet avkastning. En annen mulig løsning er å forkaste gjenklang (dvs. ikke-hudkontakt) regionen av USA bildene. I tillegg er vev deformasjon mest sannsynlig skje i første vev lag, for eksempel hud og underhud fettvev lag. Merk at fag med liten eller ingen subkutan fettvev er derfor mer utsatt for bivirkninger av press. I tillegg oppstår vev deformasjon sannsynligvis i sentrum av sonden, som vanligvis ikke overlapper med andre feier regionen.
VII. Imaging og anatomisk kunnskap: en annen viktig faktor i å bruke noen tenkelig modalitet er at kunnskap om både anatomi og tenkelig modalitet er avgjørende for å få meningsfulle tolkning. Anatomisk variasjon mellom fag og bilderester må gjenkjennes og tatt hensyn til i identifikasjonsprosessen anatomiske strukturer. Selv med sunn og/eller velutviklet muskler, kan klar identifikasjon være vanskelig fordi det krever anatomisk kunnskap til å skille mellom ulike komponenter i en muskel eller mellom muskel grupper51. Men atrophied muskler (i.e. eldre, i tilfelle patologi, eller en cadaver), klart identifikasjon er enda mer komplisert på grunn av mindre størrelse og redusert kontrasten i bildet, og derfor mindre tydelig vev grensesnitt (Figur 4 ). Vi tror at uten forutgående anatomisk kunnskap, vi ville ha blitt begrenset å gjøre riktig vurdering i utformingen av denne 3DUS og utføre 3DUS målinger. For eksempel for GM eksperimenter forårsaker ulike fotplaten vinkler ikke nødvendigvis forventede endringene i muskel sene komplekse lengder, deformasjon innen foten7. Også var anatomisk informasjon om kurvatur av den distale aponeurosis avgjørende for et tilstrekkelig utvalg av midt-langsgående flyet i alle fag38.
Figur 4: variasjon og kvalitet rekonstruert anatomiske cross-sectional 3DUS bilder av quadriceps muskel halvveis langs låret. (A) eksempel på en mannlig menneskelige cadaver viser et bilde av en atrophied tilstand ved død (død alder: 81 år). Identifikasjon av grensene for individuelle hoder quadriceps muskel er vanskelig. (B) eksempel på en stillesittende mann (i alderen 30 år). (C) eksempel på en mannlige idrettsutøver roer (i alderen 30 år). De hvite firkantene for skala representerer 1 cm x 1 cm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Fremtidige programmer:
3DUS tilnærmingen gir et avbildningsverktøy som kan brukes for ulike formål og innstillingene i sport og klinikker. I kliniske tiltak er effektivitet knyttet til den fysiske nivå52. Bruke 3DUS for overvåking av pasienter som er i fare for å miste muskelen masse er viktig (f.eksreferanser53,54,55) og gjøre det mulig for justering av behandlingen. En annen potensiell program av 3DUS ligger i overvåking morfologiske tilpasningen av muskel svar på intervensjon (opplæring) og/eller skade.
Denne protokollen beskrevet og tid-kostnadseffektiv metode å måle bløtvev struktur av menneskekroppen basert på frihånd 3DUS feier. Videre vurdering av parameterne for meningsfull morfologiske m. vastus lateralis og m. gastrocnemius medialis viste seg for å være gyldig og pålitelig.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne er svært takknemlig til Adam Shortland og Nicola Fry som delte sine algoritmer for 3-dimensjonale ultralyd i 2004, som var inspirasjonen for utviklingen av programvaren som brukes i denne studien.
Ultrasound device (Technos MPX) | Esaote, Italy | NA | |
Linear array probe (12.5 Mhz, 5 cm) | Esaote, Italy | NA | |
Workstation (HP Z440) | HP, USA | http://www8.hp.com/us/en/workstations/z440.html | |
Framegrabber (Canopus, ADVC 300) | Canopus, Japan | ADVC 300 | |
Motion Capture System (Certus) | NDI, Canada | http://www.ndigital.com/msci/products/optotrak-certus/ | |
Synchronisation device | VU, NL | Contact corresponding author | |
Calibration frame | VU, NL | Contact corresponding author | |
Thermometer | Greisinger, Germarny | GTH 175/PT | |
Examination table | NA | NA | Any examination table |
Inclinometer | Lafayette instrument, USA | ACU001 | |
Adjustable Footplate | VU, NL | Contact corresponding author | |
Torque wrench | VU, NL | Contact corresponding author | |
Extendable rod | VU, NL | Contact corresponding author | |
Goniometer (Gollehon) | Lafayette instrument, USA | 1135 | |
Triangular shaped beam | NA | NA | Made out a piece of stiff foam |
Lashing straps | NA | NA | Any lashing strap |
Surgical skin marker | NA | NA | Any surgical skin marker |
Ultrasound transmission gel | Servoson | NA | A sticky gel type is recommended |